東京大學的科學家和合作者創造了一種塑造人造鑽石的新方法，具有令人驚訝的優勢。研究人員發現他們的工藝不僅僅將材料變成鑽石。但它還可以通過仔細製備碳基樣品來保護精緻的有機材料免受光束損壞。然後將它們暴露在電子束下。這一進展可以為改進材料科學和生物學中的成像和分析方法鋪平道路。
傳統上，鑽石生產涉及在巨大壓力和溫度下進行碳轉化。東京大學化學系的 Eiichi Nakamura 教授和他的團隊採用了不同的方法，其中菱形圖案是穩定的，或者在缺席的情況下使用化學氣相積累。他們測試了一種低壓技術，使用受控電子照射金剛烷分子（C10手錶16–
金剛烷具有反映金剛石四面體結構的碳骨架。這使其成為形成納米金剛石的有吸引力的起始材料。然而，在將金剛烷轉化為金剛石時，科學家必須精確去除氫原子（CH 鍵）。並將其替換為碳-碳（CC）鍵，將原子排列成三維金剛石晶格。儘管這種反應途徑在理論上是已知的，但中村解釋說，“真正的問題是沒有人認為這是可能的。”
實時觀察鑽石的形成
先前使用質譜法的工作表明，單電子電離可以幫助打破C-H鍵，但該方法只能推斷氣相中的結構，無法分離固體產物。為了克服這一限制，Nakamura 的團隊轉向透射電子顯微鏡 (TEM)，這是一種可以以原子分辨率對材料進行成像的工具。他們發現了微小的金剛烷晶體。使用 80-200 千電子伏特的電子束，在 100-296 開爾文的溫度下，在真空中持續幾秒鐘。
這種設置使團隊能夠直接觀察納米金剛石的製造過程。除了展示電子輻照如何刺激聚合和重組之外，這些實驗還揭示了 TEM 在研究其他有機分子中的受控反應方面的潛力。
對於在合成和計算化學領域工作了數十年的中村來說，這個項目代表了長期目標的頂峰。 “計算數據為你提供了一個‘虛擬’反應路徑，但我想親眼看到它，”他說。許多人認為電子束會破壞有機分子。但中村自2004年以來的堅持表明，在適當的條件下，它們反而可以誘發穩定且可預測的反應。
在樑下製造納米金剛石
長時間暴露該過程產生近乎完美的納米金剛石，具有立方晶體結構，直徑高達 10 納米，同時釋放氫氣。如何改成球形納米金剛石？反應速率由CH鍵的斷裂控制。其他碳氫化合物不能產生相同的結果。它強調了金剛烷對於鑽石生長的獨特適用性。
這一發現開闢了新的可能性。處理電子光刻等領域的化學反應。表面科學和顯微鏡研究人員還表明，類似的高能輻射過程可以解釋鑽石如何在隕石或富含鈾的岩石中自然形成。該方法還支持摻雜量子點的創建。它是量子計算和先進傳感器的關鍵組件。
二十年的夢想
回顧這一進展，中村將其描述為20年願景的實現。 “這個鑽石合成例子最終證明了電子不會破壞有機分子。而是讓它們進行明確定義的化學反應。如果我們在分子中安裝正確的特性來進行輻射，”他說，他的成功可能會永久改變科學家使用新電子束的方式。這樣可以更清楚地了解輻照下發生的化學變化。
